覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究.pdf

中国农村水利水电China Rural Water and H覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究胡岸1，陈东辉1，王亚钊2，邓亚鹏1（1.石家庄市水利技术推广中心，河北 石家庄 050000；2.上海澄域环保工程有限公司，上海 201400）摘要：为探究砂石覆盖对滨海盐碱土水盐分布特征的影响，开展了室内不同砂石覆盖度（0、25%、50%、75%、100%）滨海盐碱土蒸发及水盐分布试验，结果表明，覆砂能有效地保持土壤水分，降低土壤表层盐分含量，且保墒抑盐效果随砂石覆盖度的增加而增加。试验期间，覆砂处理土壤表层含水率较CK增加了58.57%232.71%，剖面含水率较CK增加了 82.41%220.91%，表层土壤盐分含量较 CK 降低了 22.72%46.04%，土壤剖面盐分含量较 CK 降低了 7.15%11.76%；砂石覆盖可有效地抑制土壤表层积聚，提高土壤剖面盐分空间分布均匀性；试验期间，覆砂处理土壤蒸发强度比CK处理降低了15.51%48.82%，蒸发初期砂石覆盖对土壤蒸发强度抑制作用强于蒸发后期。关键词：砂石覆盖；土壤蒸发；水盐分布；滨海盐碱土中图分类号：TV93；S161.4+1 文献标识码：A DOI：10.12396/znsd.221690胡 岸，陈东辉，王亚钊，等.覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究 J.中国农村水利水电，2023（8）：217-221+228.DOI：10.12396/znsd.221690.HU A，CHEN D H，WANG Y Z，et al.Influence of sand covering on water-salt distribution and evaporation characteristics of coastal saline-alkaline soil J.China Rural Water and Hydropower，2023（8）：217-221+228.DOI：10.12396/znsd.221690.Influence of Sand Covering on Water-Salt Distribution and Evaporation Characteristics of Coastal Saline-alkaline SoilHU An1，CHEN Dong-hui1，WANG Ya-zhao2，DENG Ya-peng1（1.Shijiazhuang Water Conservancy Technology Promotion Center，Shijiazhuang 050000，Hebei Province，China；2.Shanghai Chengyu Environmental Protection Engineering Company，Shanghai 201400，China）Abstract：In order to explore the distribution characteristics of sand and gravel coverage on coastal saline-alkali soil water and salt，this paper adopts laboratory experiments to study the effects of sand and gravel coverage（0，25%，50%，75%，100%）on soil water，salt and evaporation.influence of characteristics.The results show that sand covering can effectively retain soil moisture and reduce the salinity content of soil surface，the effect of preserving moisture and salt inhibition increases with the increase in sand coverage.During the test period，the soil surface water content in the sand-covered treatment increased by 58.57%232.71%compared with CK，the profile water content increased by 82.41%220.91%compared with the CK treatment，and the surface soil salinity content decreased by 22.72%46.04%compared with CK.Compared with CK，the salinity content decreased by 7.15%11.76%.Sand and gravel coverage can effectively inhibit the accumulation of soil surface and improve the spatial distribution uniformity of salinity in the soil profile；during the test period，the soil evaporation intensity in the sand-covered treatment decreased by 15.51%48.82%compared with the CK treatment，the effect of sand and gravel mulching on soil evaporation intensity was stronger in the early stage of evaporation than in the later stage of evaporation.Key words：soil evaporation；water and salt distribution；sand and gravel coverage；coastal saline-alkali soil文章编号：1007-2284（2023）08-0217-05收稿日期：2022-08-19作者简介：胡岸（1979-），男，高级工程师，主要从事农业高效节水研究。E-mail：。通讯作者：邓亚鹏（1997-），男，硕士研究生，主要从事土壤和地下水污染防治与控制研究。E-mail：。水利工程217覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究 胡岸 陈东辉 王亚钊 等0引 言盐碱地是重要的土地后备资源，其合理开发与利用对稳粮稳产具有重要意义1。据统计，我国约有65.8 万km2的盐碱土未用于农业生产，主要分布在东北、华北、西北及东部沿海在内的17个省区。这些地区也是我国重要的粮食产区，但由于土壤水分蒸发强烈、地表盐分积聚严重等不利因素，已造成作物生长困难，产量低下，阻碍了当地经济的发展2-4。国内外在盐碱土水盐调控方面进行了大量的研究。其中，砂石覆盖是解决我国盐碱地区水资源短缺、土壤蒸发强烈的重要措施，在减少提高土壤蓄水保墒能力、抑制盐分表层积聚等方面具有重要作用5-7。赵文举8等研究了覆砂对土壤水盐运移的影响，指出覆砂能抑制表层盐分积聚，增大土壤含水率。唐德秀9等研究表明在植物生长期内，土壤蒸发随覆砂量的增加而降低。砂石覆盖对非盐碱土土壤蒸发入渗、作物生长发育等方面的研究已取得了重大进展。但对盐碱土水盐分布特征变化的研究还鲜有报道。因此，本文对不同砂石覆盖度下滨海盐碱土土壤水盐分布及蒸发强度变化进行分析，以期为盐碱地区抑盐、保墒、改土、增产等提供理论依据。1材料与方法1.1试验材料供试土样取自河北省沧州市“渤海粮仓”科技项目工程示范区，采样深度为040 cm，土壤容重为1.38 g/cm3，含盐量为3 g/kg，pH为8.24。采用吸管法测定土壤各粒级相对含量，结果见表1，覆盖材料选用粒径为0.51 cm的砂石。1.2试验设计本试验装置为植物试验盆（盆高 120 mm，上口直径 160 mm，下口直径120 mm，容积1 800 mL），盆底铺设200 g粒径为2 mm的石英砂，将2 100 g风干土壤置于盆内，上部预留1 cm以覆盖砂石，覆盖度 砂石覆盖面积与试验盆横截面积之比，黑色部分为砂石覆盖，图1（c）按照0、25%、50%、75%和100%（分别以CK、S1、S2、S3和S4表示）铺设，每个处理重复20次，并进行编号，选择r，s，t 3组 图1（b）进行称重。试验开始时间为2022年3月10日，持续20 d，地点在石家庄市水利技术推广中心，试验期间室内温度为1620。1.3试验流程根据r，s，t 3组称重值差值的平均值和时间间隔来计算土壤累积蒸发量和蒸发强度；剩余17组装置依次由药品匙分层（02、24、46 和610 cm）取样，按顺序通过破坏性取样测定其土壤含水率和电导率（含盐量）。土壤蒸发强度测定时间为8时到20时10，05 d按照每4 h测定一次，610 d按照每12 h测定一次，1120 d按照每24 h测定一次；土壤含水率和电导率110 d按照每24 h测定一次，1120 d按照每36 h测定一次。试验期间，土壤水盐数据和蒸发数据分别采集17和40次。土壤含水率由烘干法测定，电导率值由电导率仪（DDS-308A，上海雷磁）测定。1.4数据分析（1）土壤含水率计算公式：=mwm湿-mw 100%（1）式中：为土壤含水率，%；mw为土壤中水分质量，g；m湿为湿土质量，g。（2）土壤蒸发强度计算公式：E=1 000 MAt（2）式中：E为土壤蒸发速率，mm/h；M为r，s，t 三组前后称重数据的差值，g；A为植物试验盆盆口面积；mm2；为水的密度，g/cm3；t为前后称重的时间差，h。试验数据计算和作图分别由 Excel 2016 和 Origin 2018完成。2结果与分析2.1覆砂对土壤水分的影响2.1.1覆砂对土壤表层含水率的影响各处理的土壤表层02 cm土壤含水率的变化过程见图2。可知，试验结束时，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤表层02 cm含水 率 比 试 验 开 始 时 分 别 下 降 了 85.89%、77.63%、69.85%、56.89%和 53.07%；S1、S2、S3 和 S4 土壤表层 02 cm 含水率比CK处理分别增加了58.57%、113.71%、205.61%和232.71%。从图2还可以看出，各处理土壤表层含水率均随着时间的推移而下降，土壤表层含水率随砂石覆盖度的增加呈上升趋势，且CK处理土壤表层含水率随时间的推移呈现出指数型降低趋势，覆盖处理呈现出线性降低趋势（表2），说明覆砂在试验期间有较好的蓄水保墒效果，能有效抑制土壤表层水分散发，且土壤蒸发在试验前期中的抑制能力要优于试验后期。表1土壤颗粒级配相对含量Tab.1 Relative content of soil particle gradation粒级/mm相对含量/%0.0528.15图1试验装置图Fig.1 Diagram of the test device218覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究 胡岸 陈东辉 王亚钊 等2.1.2覆砂对土壤剖面含水率的影响各处理的土壤剖面的含水率的变化过程见图3，可以看出，土壤含水率随着土壤深度的增加呈增加趋势，试验期间，CK处理24、46和610 cm土层土壤含水率较表层02 cm含水率分别增加了3.63%、6.57%和5.68%，覆盖处理24、46和610 cm土层土壤含水率较表层 02 cm 含水率分别增加了 11.25%、13.60%和12.11%，CK、S1、S2、S3和S4处理210 cm土层土壤含水率较表层 02 cm 土壤含水率分别增加了 5.29%、18.15%、11.35%、9.39%和11.37%。试验结束时，S1、S2、S3和S4土壤剖面含水率比 CK处理分别增加了 82.41%、128.63%、177.58%和220.91%，CK处理土壤剖面含水率明显低于其他处理，覆盖处理土壤剖面含水率随着砂石覆盖度的增加呈线性增加趋势（y=12.274x+26.374，R2=0.940 2）。2.2覆砂对土壤盐分的影响2.2.1覆砂对土壤表层（02 cm）盐分含量的影响图4反映了各处理表层（02 cm）土壤盐分随时间的变化关系，可以看出，各处理土壤表层含盐量随着时间的推移均呈递增趋势，土壤表层含盐量随砂石覆盖度的增加而呈现降低趋势。试验结束时，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤表层02 cm盐分含量比试验开始时分别增加了356.48%、252.78%、229.63%、160.19%和146.30%；S1、S2、S3和S4土壤表层盐分02 cm含量比CK处理分别降低了22.72%、27.79%、43.00%和46.04%。此外，在试验初期（0200 h），CK处理土壤表层盐分含量迅速上升，较试验初期增加了258.33%，而S1、S2、S3和S4处理较CK分别降低了 11.72%、35.98%、63.60%和 86.61%；试验后期（200480 h），CK处理盐分增长速度减缓，S1、S2、S3和S4土壤表层02 cm 盐 分 变 化 量 较 CK 处 理 分 别 降 低 了 57.53%、34.93%、41.10%和 13.70%。说明覆砂能够有效抑制土壤表层盐分积聚，在蒸发前期有较好的抑盐效果。2.2.2覆砂对土壤剖面盐分含量的影响图5反映了各处理土壤剖面含盐量随时间的变化关系，试验开始时，土壤盐分剖面分布均匀；试验结束时，深层土壤的盐分含量高于土壤表层，且各处理土壤盐分含量随土层深度的增加呈下降趋势。试验期间，S1、S2、S3和S4处理010 cm土层土壤 剖 面 电 导 率 比 CK 处 理 降 低 了 11.76%、8.11%、7.15%和10.64%；无覆盖处理24、46和610 cm土层土壤电导率较表层02 cm电导率分别降低了39.26%、45.32%和53.83%，覆盖处理24、46和610 cm土层土壤电导率较表层02 cm电导率分别 降 低 了（S1S4 的 02 cm 土 层 含 盐）18.57%、27.50%和31.82%，CK、S1、S2、S3和S4处理表层02 cm土壤电导率较210 cm土层土壤电导率增加了85.65%、73.90%、45.52%、22.38%图2土壤表层（02 cm）含水率随时间变化关系Fig.2 The relationship between soil surface（02 cm）moisture content and time表2 土壤含水率随时间的变化关系Tab.2 Relationship between soil moisture content and time处理名称CKS1S2S3S4拟合公式y=46.347 e-0.004 xy=-0.076 2 x+42.491y=-0.069 5 x+44.145y=-0.062 3 x+44.819y=-0.055 9 x+45.295决定系数R20.987 90.965 80.978 40.949 10.939 1图3土壤剖面水分随时间变化关系Fig.3 Relationship of soil profile moisture with time219覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究 胡岸 陈东辉 王亚钊 等和5.15%，砂石覆盖对010 cm土层土壤剖面电导率抑制能力低于02 cm土层。砂石覆盖会导致土层间含盐量趋于一致，改善土壤盐分空间分布，说明砂石覆盖能有效降低土壤盐分含量。2.3覆砂对土壤蒸发的影响2.3.1覆砂对土壤蒸发强度的影响土壤蒸发强度随时间的推移呈下降趋势（图6），0200 h，土壤蒸发强度较大，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤蒸发强度分别为0.11、0.09、0.08、0.07和0.07 mm/h；200480 h，土壤蒸发强度降低，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤蒸发强度分别为0.04、0.04、0.03、0.02和0.02 mm/h。试验期间，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤平均蒸发强度分别为0.07、0.06、0.05、0.04和0.04 mm/h，S1、S2、S3 和 S4 处理土壤平均蒸发强度分别比 CK 处理降低了15.51%、29.08%、41.01%和 48.82%；土壤蒸发强度随砂石覆盖度的增加而呈减低趋势。2.3.2覆砂对土壤累积蒸发量的影响各处理土壤累积蒸发量均随时间的延长呈指数型增加趋势。0200 h，各处理累积蒸发量迅速增长，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤累积蒸发量分别为21.43、18.03、15.95、14.14和12.55 mm，S1、S2、S3和S4处理土壤累积蒸发量分别比CK处理降低了15.88%、25.57%、34.04%和41.43%；200480 h，CK、S1、S2、S3和S4 处理土壤累积蒸发量分别为 12.01、10.22、7.77、5.59 和 4.56 mm，S1、S2、S3和S4处理土壤累积蒸发量分别比CK处理降低了14.86%、35.34%、53.46%和62.01%。试验结束时，CK、S1、S2、S3和S4处理土壤累积蒸发量分别为33.44、28.25、23.72、19.72和17.11 mm。土壤累积蒸发量随砂石覆盖度的增加呈递减趋势，说明砂石覆盖能有效降低土壤累积蒸发量。3讨 论3.1覆砂对土壤水分的影响水分是植被的正常生长发育的必需元素，提高水分利用效率是提高作物产量的重要措施11。本研究中，覆盖处理土壤平均含水率均高于CK处理，可能是由于砂石覆盖能有效保持土壤水分，抑制土壤水分散发，且随着砂石覆盖度的增加抑制效图4土壤表层（02 cm）电导率随时间变化关系Fig.4 The relationship between soil surface（02 cm）conductivity and time图5土壤剖面盐分随时间变化关系Fig.5 The relationship between soil profile salinity and time图6土壤蒸发强度随时间变化关系Fig.6 Variation of soil evaporation intensity with time220覆砂对滨海盐碱土水盐分布及蒸发特性的影响研究 胡岸 陈东辉 王亚钊 等果增加，这与付亚亚12等的研究基本一致。试验期间，CK处理呈对数型下降趋势，而覆盖处理呈直线型下降趋势，可能是由于砂石覆盖会降低土壤表面潜热通量，一定程度上抑制了水汽直接向大气直接扩散，部分水蒸气附着在砂石颗粒上，降低土壤水分向大气散发，进而保持土壤水分含量13。此外，试验期间主要为第二阶段土壤蒸发，受到空气动力学阻力、土壤含水率等因素影响，而砂石覆盖能增大空气动力学粗糙度，土壤蒸发阻力变大，进而减缓土壤水分散发，导致土壤含水率随砂石覆盖量的增加而增加14。3.2覆砂对土壤盐分的影响砂石覆盖遵循“盐随水来、盐随水去”的水盐运动规律，在保持土壤水分的同时也抑制了土壤盐分积聚15。本研究中，各处理表层盐分含量随时间的推移呈上升趋势，且表层盐分含量随砂石覆盖量的增加而降低，可能是由于砂石覆盖降低了土壤蒸发强度，减缓了可溶盐随水分向土壤表层运输的效率，进而降低土壤表层盐分含量16。此外，试验结束时，土壤盐分空间分布逐渐趋于均匀，土壤表层和深层土壤含盐量的差值随着砂石覆盖度的增加而减小，可能是由于“盐随水行”，砂石覆盖抑制土壤水分移动的同时也降低了土壤盐分向表层运输能力17。3.3覆砂对土壤蒸发的影响本研究中，随着砂石覆盖度的增加，土壤蒸发强度和累积蒸发量呈降低趋势，可能是由于砂石覆盖不仅增大了土壤表面覆盖阻力，且在一定程度上改变了空气动力学粗糙度，增大了空气动力学阻力，减小土壤表面与大气接触面积，降低了土壤热通量，阻碍了土壤水分蒸发，这与Qiu18等研究的基本一致；此外，200480 h中，土壤蒸发强度减弱，可能是由于土壤含水率相对较低，毛细管发生断裂，水汽由土壤孔隙扩散至大气，蒸发受到抑制，减小了土壤蒸发强度19。4结 论（1）覆砂能有效保持土壤水分，土壤含水量随着砂石覆盖度的增加而增加；与CK处理相比，覆砂处理土壤表层含水率比CK增加了58.57%232.71%，剖面平均含水率比CK处理增加了82.41%220.91%。（2）覆盖处理表层土壤盐分含量较 CK 降低了 22.72%46.04%，土壤剖面盐分含量较CK降低了7.15%11.76%。试验结束时，盐分主要积聚在土壤表层，表层土壤盐分含量较210 cm土层土壤盐分含量增加了5.15%85.65%，砂石覆盖能有效抑制土壤表层积聚，提高土壤剖面盐分空间分布均匀性，且随着砂石覆盖度的增加，土壤盐分含量的差异减小。（3）试验期间，覆砂处理土壤蒸发强度比 CK 处理降低了15.51%48.82%，覆砂有效抑制土壤蒸发，且土壤平均蒸发强度随砂石覆盖度的增加而呈降低趋势。参考文献：1 白春礼.科技创新引领黄河三角洲农业高质量发展 J.中国科学院院刊，2020，35（2）：138-144.BAI C L.Scientific and technological innovation leads the high-quality development of agriculture in the Yellow River Delta J.Core Media of National Science Think Tanks of China，2020，35（2）：138-144.2 周利颖，李瑞平，苗庆丰，等.河套灌区不同掺沙量对重度盐碱土壤水盐运移的影响 J.农业工程学报，2020，36（10）：116-123.ZHOU L Y，LI R P，MIAO Q F，et al.Effects of different amounts of sediment in Hetao Irrigation Area on Water and Salt Transport in Severely Saline-Alkaline SoilsJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2020，36（10）：116-123.3 谭军利，王西娜，田军仓，等.不同微咸水灌水量条件下覆砂措施对土壤水盐运移的影响J.农业工程学报，2018，34（17）：100-108.TAN J L，WANG X N，TIAN J C，et al.Effects of sand-covering measures on soil water and salt transport under different irrigation amounts of brackish water J.Transactions of the Chinese Society of 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Drainage，2019，38（3）：83-89.（下转第228页）图7累积蒸发量随时间变化关系Fig.7 The relationship of cumulative evaporation with time221平面钢闸门三维有限元线性分析的若干问题 许中武 蔡伟 周建方立平面钢闸门完整模型，并需要根据有限元计算结果对漏水孔采取相应的补强措施。参考文献：1 范崇仁.水工钢结构 M.北京：中国水利水电出版社，2019.2 胡俊锋.基于有限元分析的大跨度平面闸门设计研究 J.中国农村水利水电，2012（8）：110-111+114.HU J F.Research on design of long-span plane gate based on finite element analysis J.China Rural Water and Hydropower，2012（8）：110-111+114.3 张雪才，陈丽晔，姚宏超，等.弧形闸门支臂结构空间有限元分析原则研究 J.水力发电，2021，47（7）：73-82.ZHANG X C，CHEN L Y，YAO H C，et al.Research on spatial finite element analysis principle of radial gate arm structure J.Water Power，2021，47（7）：73-82.4 中华人民共和国水利部.水利水电工程钢闸门设计规范：SL 74-2019 S.北京：中国水利水电出版社，2020.5 国家能源局.水电工程钢闸门设计规范：NB 350552015 S.北京：中国电力出版社，2016.6 张雪才，杨顺群，侯庆宏，等.水工闸门面板结构空间有限元分析原则 J.水力发电，2021，47（10）：61-70.ZHANG X C，YANG S Q，HOU Q H，et al.Spatial finite element analysis principle of hydraulic gate panel structure J.Water Power，2021，47（10）：61-70.7 杜平安.有限元网格划分的基本原则 J.机械设计与制造，2000（1）：34-36.DU P A.Basic principles of 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